JP6661676B2

JP6661676B2 - ロボット制御装置

Info

Publication number: JP6661676B2
Application number: JP2018006671A
Authority: JP
Inventors: 雅一一之瀬; 崇紘岡元
Original assignee: FANUC Corp
Current assignee: FANUC Corp
Priority date: 2018-01-18
Filing date: 2018-01-18
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2038-01-18
Also published as: US20190217469A1; DE102019200117B4; US10814482B2; DE102019200117A1; CN110053042A; JP2019123060A; CN110053042B

Description

本発明は、ロボット制御装置に関する。

特許文献１〜３には、産業用ロボットにおいて、ロボットの固有振動周波数での共振により励起されるアームの振動を抑制する技術が記載されている。
特許文献１には、制御ループ内にノッチフィルタを設け、制御信号からロボットの固有振動数に対応する周波数成分を除去することにより、アームの振動を抑制する技術が記載されている。
特許文献２には、加速度パターンに示される加速度をフーリエ変換してパワースペクトラム分布を求め、このパワースペクトラム分布からロボットに振動を励起させる周波数に対応する部分を除去し、残りのパワースペクトラム分布を逆フーリエ変換して加速度パターンを求め直すことにより、ロボットの動作開始時又は停止時（加減速時）のアームの振動を抑制する技術が記載されている。
特許文献３には、ロボットの固有振動数を各関節部のバネ定数とアームの慣性モーメントとから時々刻々と導き、加減速パターンの加速時間及び減速時間を固有振動数の逆数の整数倍とすることにより、リアルタイムに（加減速時の）アームの振動を抑制する技術が記載されている。

特開平７−２６１８５３号公報特開平０６−２５０７２３号公報特開２００７−２７２５９７号公報特開２０１７−０５６５４４号公報特開平１１−０２４７２０号公報

例えばシーリング処理を行うロボットにおいて、ロボットのアーム先端部の速度を一定に保ちながら、複雑な軌跡を精密かつ高速にトレースする制御が求められる。このような制御では、軌跡の曲線部分（円弧経路）を通過する際に、アーム先端部に遠心力が作用する。すると、この遠心力に起因して、曲線部分（円弧経路）の通過後にアーム先端部に振動が励起されることがあり、アーム先端部の軌跡精度を悪化させることがある。

この点に関し、特許文献４及び５には、経路の曲線部分（円弧経路）を通過する際にアームに作用する遠心力により励起されるアームの振動を抑制する技術が記載されている。例えば、特許文献５には、円弧経路の半径のレンジ毎に最大許容速度を予め定めたテーブルデータに基づいて、円弧経路の半径のレンジに応じた最大許容速度をロボットの速度に設定することにより、円弧経路における遠心力に起因するアーム先端部の振動を抑制する技術が記載されている。なお、特許文献５に記載の技術では、円弧経路近傍の速度のみを変更する。

上述したように、例えばシーリング処理を行うロボットでは、シール材が均一に塗布されるように、ロボットのアーム先端部の速度を一定に保つ必要がある。このようなロボットの制御では、所定の軌跡精度を維持するよう、遠心力によって励起される振動を抑制しながら、出来るだけ短いサイクルタイムを実現するような最大速度の決定法が求められる。

本発明は、ロボットの振動抑制と高速化とを両立するロボット制御装置を提供することを目的とする。

（１）本発明に係るロボット制御装置（例えば、後述のロボット制御装置２０）は、ロボット（例えば、後述のロボット１０）のアーム先端部（例えば、後述のアーム先端部１２）を、円弧部分を含む移動軌跡に基づいて一定の所定速度で移動させるように制御するロボット制御装置であって、前記アーム先端部に作用する遠心力を時系列データとして演算する遠心力演算部（例えば、後述の遠心力演算部２２）と、前記遠心力の時系列データを周波数データにフーリエ変換する変換部（例えば、後述のフーリエ変換部２３）と、前記遠心力の周波数データに基づいて、前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲の周波数成分が閾値以下となるように、前記所定速度を決定する速度決定部（例えば、後述の速度決定部２４）とを備える。

（２）（１）に記載のロボット制御装置において、前記閾値は、前記アーム先端部の移動軌跡精度が所望の軌跡精度を満たすための、前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲の周波数成分の上限値であってもよい。

（３）（１）又は（２）に記載のロボット制御装置において、前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲は、前記ロボットの姿勢に応じて変動する固有振動周波数の変動範囲であってもよい。

（４）（１）から（３）のいずれかに記載のロボット制御装置において、前記遠心力演算部は、前記アーム先端部の速度、加速度又は角速度と、前記アーム先端部の質量と、前記移動軌跡の円弧部分の曲率半径とに基づいて、前記遠心力を演算してもよい。

本発明によれば、ロボットの振動抑制と高速化とを両立するロボット制御装置を提供することができる。

本実施形態に係るロボットシステムの構成を示す図である。本実施形態に係るロボット制御装置の構成を示す図である。ロボットのアーム先端部の移動軌跡（軌跡データ）の一例を示す模式図である。図３に示す移動軌跡において生じる遠心力の時系列データを示す模式図である。図４Ａに示す遠心力の時系列データをフーリエ変換したパワースペクトラム分布を示す模式図である。速度変更（低下）後の遠心力Ｆの時系列データを示す模式図である。速度変更（低下）後の遠心力Ｆのパワースペクトラム分布を示す模式図である。本実施形態に係るロボット制御装置によるロボットの振動抑制動作のフローチャートである。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施形態の一例について説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

（ロボットシステム）
図１は、本実施形態に係るロボットシステムの構成を示す図である。図１に示すロボットシステム１は、ロボット１０を用いてツール（シール材塗布部）ＴとワークＷとを相対移動させて、ツールＴを用いてワークＷにシーリング処理を施す。図１に示すロボットシステム１は、ロボット１０と、ツール（シール材塗布部）Ｔと、ロボット制御装置２０とを備える。

ロボット１０は、６軸垂直多関節型又は４軸垂直多関節型等の多関節型ロボットである。ロボット１０のアーム先端部１２には、ツールＴが取り付けられている。
ロボット１０は、複数の駆動軸をそれぞれ駆動する複数のサーボモータ１４を内蔵する（図１では、便宜上１つのサーボモータのみを図示）。サーボモータ１４はロボット制御装置２０により駆動制御され、サーボモータ１４の駆動制御によりロボット１０及びツールＴの位置及び姿勢が制御される。

ツールＴは、ワークＷにシール材を塗布するヘッドを有する。ツールＴは、ロボット制御装置２０の制御により、ワークＷにシーリング処理を行う。

各サーボモータ１４にはエンコーダ１６が設けられている。エンコーダ１６は、サーボモータ１４の軸回りの回転角度及び回転速度を検出することにより、ロボット１０のアーム先端部１２の位置及び移動速度、すなわちツールＴの位置及び移動速度を検出する。検出された位置及び移動速度は位置フィードバック及び速度フィードバックとして利用される。

ロボット制御装置２０は、ロボット１０の動作制御のための動作プログラム及び教示データ等を格納している。
教示データは、ワークＷに円弧、直線、又はその組み合わせ等の軌跡でシーリング処理を行うときのロボット１０及びツールＴの位置及び姿勢である軌跡データを含む。教示データは、例えば教示操作盤（図示せず）を介して操作者により入力される。
ロボット制御装置２０は、教示データに基づいて、ロボット１０の動作制御のための動作プログラムを作成する。
ロボット制御装置２０は、この動作プログラムに基づく軌跡データ、速度指令（一定速度）、エンコーダ１６からの位置フィードバック及び速度フィードバックに基づいてロボット１０の動作制御を行うことにより、ロボット１０の位置及び姿勢及びツールＴの位置及び姿勢を制御し、ツールＴとワークＷとの相対位置を制御する。以下では、ロボット制御装置２０について詳細に説明する。

（ロボット制御装置）
図２は、本実施形態に係るロボット制御装置２０の構成を示す図である。図２に示すロボット制御装置２０は、サーボ制御部２１と、遠心力演算部２２と、フーリエ変換部２３と、速度決定部２４と、記憶部２５とを備える。

サーボ制御部２１は、記憶部２５に格納された動作プログラムに基づく移動軌跡、速度指令（一定速度）、エンコーダ１６からの位置フィードバック（位置ＦＢ）及び速度フィードバック（速度ＦＢ）に基づいて、移動軌跡を一定の速度で移動するように、ロボット１０のサーボモータ１４を駆動制御するための駆動電流を生成し、ロボット１０の動作制御を行う。
このように、サーボ制御部２１は、シーリング処理においてシール材が均一に塗布されるように、ロボット１０のアーム先端部１２を一定の速度で移動するように制御する。

図３は、ロボット１０のアーム先端部１２の移動軌跡（軌跡データ）の一例を示す模式図である。図３では、本実施形態の特徴の理解を容易にするために、直線、円弧、直線で構成される簡単な移動軌跡を想定する。この移動軌跡の円弧部分では、ロボット１０のアーム先端部１２に、ロボット１０の進行方向に対して垂直な方向の遠心力Ｆが作用する。すると、この遠心力Ｆに起因して、円弧部分を通過した後にロボット１０のアーム先端部１２に振動が励起されることがある。

遠心力演算部２２は、図４Ａに示すように、ロボット１０のアーム先端部１２に作用する遠心力Ｆを時系列データとして演算する。図４Ａは、図３に示す移動軌跡において生じる遠心力Ｆの時系列データを示す模式図である。図４Ａでは、図３に示す移動軌跡の円弧部分に対応する時間ｔ１−ｔ２において遠心力Ｆが生じている。

例えば、遠心力演算部２２は、図３に示すようにロボット１０のアーム先端部１２（以下、アーム先端部とは、アーム先端部に設けられたツールＴをも意味するものとする。）を質点とし、ロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）の質量ｍ及び移動速度ｖと、移動軌跡の円弧部分の曲率半径ｒとに基づく下記（１）式（２項目）により、遠心力Ｆを時系列データとして演算する。
Ｆ＝ｍｖ^２／ｒ＝ｍωｒ＝ｍａ・・・（１）
遠心力Ｆは、時々刻々と変化する曲率１／ｒと速度ｖとに比例する。曲率１／ｒが時々刻々と変化する場合、曲率半径ｒは最小値を用いてもよい。
移動速度ｖは、速度指令値であってもよいし、動作プログラムに基づいて予めロボット１０を動作させたときの実測値であってもよい。実測値は、エンコーダ１６からの速度フィードバック（速度ＦＢ）であってもよいし、ロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）に設けられた速度センサ（図示せず）の検出値であってもよい。
移動軌跡の円弧部分の曲率半径ｒは、移動軌跡（軌跡データ）から求めてもよい。

なお、遠心力演算部２２は、ロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）の移動速度ｖに代えて、角速度ωを用いてもよいし（上記（１）式の３項目）、或いは加速度ａを用いてもよい（上記（１）式の４項目）。
角速度ωは、例えばロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）に設けられた角速度センサを用い、動作プログラムに基づいて予めロボット１０を動作させたときの実測値であってもよい。また、加速度ａは、例えばロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）に設けられた加速度センサを用い、動作プログラムに基づいて予めロボット１０を動作させたときの実測値であってもよい。

フーリエ変換部２３は、図４Ｂに示すように、遠心力演算部２２で演算された遠心力Ｆの時系列データをフーリエ変換し、パワースペクトラム分布（周波数データ）を求める。図４Ｂは、図４Ａに示す遠心力Ｆの時系列データをフーリエ変換したパワースペクトラム分布を示す模式図である。ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆ（例えば、１０Ｈｚ〜１５Ｈｚ）に対応する周波数成分のパワーが大きいほど、円弧部分の通過後にロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）に振動が発生しやすい。固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆとは、ロボット１０の姿勢に応じて変動する固有振動周波数の変動範囲である。

速度決定部２４は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、遠心力Ｆのパワースペクトラム分布において、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分のパワーが閾値Ｔｈ以下になるように、ロボット１０の速度を決定、変更（低下）する。図５Ａは、速度変更（低下）後の遠心力Ｆの時系列データを示す模式図であり、図５Ｂは、速度変更（低下）後の遠心力Ｆのパワースペクトラム分布を示す模式図である。
図５Ａに示すように、速度を低下させると、円弧部分で生じる遠心力Ｆは小さくなり、円弧部分の通過時間は長くなる。これにより、図５Ｂに示すように、パワースペクトラム分布は、全体的に低周波数側にシフトし、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆに対応する周波数成分のパワーが閾値Ｔｈ以下に低下する。

閾値Ｔｈは、ロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）の移動軌跡精度が所定の軌跡精度を満たすための、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分のパワーの上限値である。所定の軌跡精度を満たすパワーの上限値は、動作プログラムに基づいて予めロボット１０を動作させる実験により求められてもよいし、計算によって求められてもよい。

記憶部２５は、上述した動作プログラム（軌跡データ、速度指令（一定速度）等）及び教示データを記憶する。また、記憶部２５は、上述した閾値Ｔｈを記憶する。また、記憶部２５は、ロボット１０の固有振動周波数ｆ及びその所定範囲Δｆを記憶する。
固有振動周波数ｆ及びその所定範囲Δｆは、動作プログラムに基づいて予めロボット１０を動作させて実測した実測値であってもよいし、計算によって求めた計算値であってもよい。計算値（理論値）は、例えば、ロボット１０の各関節部のバネ定数Ｋｃと、アームの姿勢に応じたアームの慣性モーメントＪｌとに基づく下記（２）式より計算されてもよい。
ｆ＝（１／２π）×√（Ｋｃ／Ｊｌ）・・・（２）
記憶部２５は、例えばＥＥＰＲＯＭ等の書き換え可能なメモリである。

ロボット制御装置２０は、例えば、ＤＳＰ（ＤｉｇｉｔａｌＳｉｇｎａｌＰｒｏｃｅｓｓｏｒ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）等の演算プロセッサで構成される。ロボット制御装置２０の各種機能は、例えば記憶部に格納された所定のソフトウェア（プログラム）を実行することで実現される。ロボット制御装置２０の各種機能は、ハードウェアとソフトウェアとの協働で実現されてもよいし、ハードウェア（電子回路）のみで実現されてもよい。

次に、本実施形態に係るロボット制御装置２０によるロボット１０の振動抑制動作について説明する。図６は、本実施形態に係るロボット制御装置２０によるロボット１０の振動抑制動作のフローチャートである。
まず、遠心力演算部２２は、図４Ａに示すように、ロボット１０のアーム先端部１２に作用する遠心力Ｆを時系列データとして演算する（Ｓ１）。
次に、フーリエ変換部２３は、図４Ｂに示すように、遠心力演算部２２で演算された遠心力Ｆの時系列データをフーリエ変換し、パワースペクトラム分布（周波数データ）を求める（Ｓ２）。
次に、速度決定部２４は、図５Ａ及び図５Ｂに示すように、遠心力Ｆのパワースペクトラム分布において、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分のパワーが閾値Ｔｈ以下になるように、ロボット１０の速度を決定する（Ｓ３）。
次に、サーボ制御部２１は、決定された速度に基づいて、ロボット１０の速度を変更（低下）する（Ｓ４）。

以上説明したように、本実施形態のロボット制御装置２０によれば、遠心力演算部２２が、ロボット１０のアーム先端部１２（ツールＴ）に作用する遠心力Ｆを時系列データとして演算し、フーリエ変換部２３が、遠心力Ｆの時系列データをフーリエ変換してパワースペクトラム分布を求め、速度決定部２４が、遠心力Ｆのパワースペクトラム分布に基づいて、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分が閾値Ｔｈ以下となるように、速度を決定する。これにより、所定の軌跡精度を満たしながら任意の軌跡をトレースするという制約条件下で、実行可能な最大速度を得ることができる。そのため、移動軌跡の円弧部分を通過する際に生じる遠心力Ｆに起因して、円弧部分の通過後、ロボット１０のアーム先端部１２に励起されるロボット１０の固有振動周波数ｆ近傍の振動の抑制と、ロボット１０の高速化とを両立することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、種々の変更及び変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、速度決定部２４は、図４Ｂに示す遠心力Ｆのパワースペクトラム分布において、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分のパワーが閾値Ｔｈ以下になるように、ロボット１０の速度を低下した。しかし、速度決定部２４は、これに限定されず、ロボット１０の速度を上昇してもよい。この場合、ロボット１０の固有振動周波数ｆを含む所定範囲Δｆの周波数成分が、遠心力Ｆのパワースペクトラム分布における谷部に位置するようにロボット１０の速度を上昇してもよい。

また、上述した実施形態では、ワークＷを固定設置し、ツールＴをロボット１０のアーム先端部１２に取り付けることにより、ワークＷに対してツールＴを相対移動させるロボットシステム１を例示した。しかし、本発明の特徴は、これに限定されず、ツールを固定設置し、ワークをロボットのアーム先端部に保持することにより、ワークに対してツールを相対移動させるロボットシステムにも適用可能である。

また、上述した実施形態では、シーリング処理用のロボットシステムを例示した。しかし、本発明の特徴は、これに限定されず、ロボットのアーム先端部を、円弧部分を含む移動軌跡に基づいて一定の速度（高速）で移動させる種々のロボットシステムにおけるロボット制御に適用可能である。

１ロボットシステム
１０ロボット
１２アーム先端部
１４サーボモータ
１６エンコーダ
２０ロボット制御装置
２１サーボ制御部
２２遠心力演算部
２３フーリエ変換部
２４速度決定部
２５記憶部
Ｔツール
Ｗワーク

Claims

ロボットのアーム先端部を、円弧部分を含む移動軌跡に基づいて一定の所定速度で移動させるように制御するロボット制御装置であって、
前記アーム先端部に作用する遠心力を時系列データとして演算する遠心力演算部と、
前記遠心力の時系列データを周波数データにフーリエ変換する変換部と、
前記遠心力の周波数データに基づいて、前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲の周波数成分が閾値以下となるように、前記所定速度を決定する速度決定部と、
を備える、ロボット制御装置。
前記閾値は、前記アーム先端部の移動軌跡精度が所望の軌跡精度を満たすための、前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲の周波数成分の上限値である、請求項１に記載のロボット制御装置。
前記ロボットの固有振動周波数を含む所定範囲は、前記ロボットの姿勢に応じて変動する固有振動周波数の変動範囲である、請求項１又は２に記載のロボット制御装置。
前記遠心力演算部は、前記アーム先端部の速度、加速度又は角速度と、前記アーム先端部の質量と、前記移動軌跡の円弧部分の曲率半径とに基づいて、前記遠心力を演算する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロボット制御装置。